【摘要】： 齒輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是動力傳輸系統(tǒng)振動問題的最主要來源,齒輪系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的強烈振動,對系統(tǒng)的安全性和隱蔽性造成了嚴重的影響。目前,工程實踐中復雜齒輪-轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的振動機理尚未清楚,針對此問題,從齒輪動力學和轉(zhuǎn)子動力學的角度出發(fā),考慮系統(tǒng)的齒側(cè)間隙、時變嚙合剛度、靜態(tài)傳動誤差、輸入輸出扭矩激勵、彈性軸和軸承的影響,建立了齒輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學模型。對動力學模型進行了數(shù)值仿真,研究了轉(zhuǎn)速對動態(tài)嚙合力和系統(tǒng)的振動特性的影響。在判斷系統(tǒng)的振動是否為混沌的過程中,采用混沌時間序列分析理論計算了齒輪傳動系統(tǒng)的高維非線性方程組的最大Lyapunov指數(shù),數(shù)值積分的 結(jié)果表明:動力學模型能合理地體現(xiàn)齒輪嚙合的三種沖擊狀態(tài);混沌時間序列分析理論能有效地計算出齒輪傳動系統(tǒng)高維非線性方程組的最大Lyapunov指數(shù)。齒輪副扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)是最基礎(chǔ)的齒輪系統(tǒng),為了從近似解析解的角度研究齒側(cè)間隙的大小對齒輪副扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的幅頻響應曲線的影響規(guī)律,將多項諧波平衡法與求解非線性方程組的最小二乘解的廣義逆法相結(jié)合求解近似解析解,研究結(jié)果表明:齒側(cè)間隙對系統(tǒng)幅頻響應曲線的影響除了與齒側(cè)間隙的大小密切相關(guān)之外,還與阻尼、時變嚙合剛度諧波項幅值及預緊力緊密相關(guān)。當阻尼相對較小時,系統(tǒng)的幅頻響應曲線受到齒側(cè)間隙的影響比較明顯,在不同的齒側(cè)間隙下,主共振區(qū)和超諧共振區(qū)都會出現(xiàn)振幅跳躍現(xiàn)象;阻尼比增大到一定值后,隨著齒側(cè)間隙逐漸增大,主共振區(qū)始終出現(xiàn)振幅跳躍,但在振幅相對較小的超諧共振區(qū)振幅跳躍現(xiàn)象變得不明顯;當阻尼比增大到較大值時,不同的齒側(cè)間隙下,系統(tǒng)的幅頻響應曲線都接近于線性系統(tǒng)的響應曲線。隨著嚙合剛度一次諧波項幅值的逐漸增大,齒側(cè)間隙比相對較小時,幅頻響應曲線在主共振區(qū)會體現(xiàn)出“硬化曲線”的特征;當齒輪間隙比增大到一定值時,不論嚙合剛度一次諧波項幅值的大小為多少,系統(tǒng)的幅頻響應曲線均體現(xiàn)出“軟化曲線”的特征。在預緊力比較小的條件下,當齒側(cè)間隙比相對較小時,幅頻響應曲線只在局部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)體現(xiàn)出“硬化曲線”;當齒側(cè)間隙比相對較大時,幅頻響應曲線體現(xiàn)為“軟化曲線”。在預緊力比較大的條件下,齒側(cè)間隙越小,“硬化曲線”的特征越明顯;齒側(cè)間隙需要增大到較大值才能使主共振區(qū)的幅頻響應曲線變成“軟化曲線”。 由于齒輪副扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的模型假設(shè)轉(zhuǎn)軸和軸承是剛性不變形的,與實際的齒輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在一定的差別,為了研究不同齒側(cè)間隙對齒輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學特性的影響,采用數(shù)值仿真研究了不同齒側(cè)間隙對系統(tǒng)的分岔和混沌的影響,研究結(jié)果表明:齒側(cè)間隙對系統(tǒng)的第一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速處的振動狀態(tài)的影響比較大,齒側(cè)間隙相對較小時,系統(tǒng)的第一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速處的振動狀態(tài)相對較好。除了齒側(cè)間隙之外,支承剛度對齒輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分岔和混沌也具有重要的影響,采用數(shù)值仿真研究了支承剛度對系統(tǒng)的分岔和混沌的影響,研究結(jié)果表明:隨著支承剛度的逐漸增大,系統(tǒng)的彎扭耦合臨界轉(zhuǎn)速均相應地增大,系統(tǒng)的分岔和混沌區(qū)域也相應地發(fā)生改變。 在考慮非線性嚙合力的基礎(chǔ)上,進一步考慮非線性油膜力的影響,建立了齒輪-轉(zhuǎn)子-滑動軸承系統(tǒng)的動力學模型,采用數(shù)值仿真研究了系統(tǒng)的動態(tài)響應,研究結(jié)果表明:隨著轉(zhuǎn)速的逐漸升高,非線性嚙合力和非線性油膜力分別在不同的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)影響著齒輪-轉(zhuǎn)子-滑動軸承系統(tǒng)的非線性振動特性,當轉(zhuǎn)速相對較低時,系統(tǒng)的振動特性主要受到非線性嚙合力的影響,隨著轉(zhuǎn)速的逐漸升高,非線性油膜力對系統(tǒng)振動特性的影響逐漸增大;當轉(zhuǎn)速逐漸增大到接近系統(tǒng)的第一階臨界轉(zhuǎn)速(可以是齒輪嚙合引起的彎扭耦合臨界轉(zhuǎn)速而不一定是轉(zhuǎn)子的純彎曲臨界轉(zhuǎn)速)的二倍時,逐漸出現(xiàn)非線性油膜力引起的“半頻渦動”;通過對比線性八參數(shù)油膜力和非線性油膜力對嚙合力的影響,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速逐漸增大到接近系統(tǒng)的第一階臨界轉(zhuǎn)速(可為彎扭耦合臨界轉(zhuǎn)速)的二倍時,非線性油膜力逐漸對非線性嚙合力起作用,并使嚙合力的頻譜中出現(xiàn)“半頻渦動”頻率成份;隨著轉(zhuǎn)速的進一步增大,非線性油膜力對非線性嚙合力的影響也越來越大,甚至超過不平衡質(zhì)量對嚙合力的影響;然而傳統(tǒng)的線性油膜力對非線性嚙合力則基本沒有影響。 為了驗證數(shù)值仿真結(jié)果的正確性,設(shè)計了齒輪-轉(zhuǎn)子-滾動軸承系統(tǒng)振動試驗臺;提出了一種可以調(diào)整齒側(cè)間隙的裝置;在試驗臺上研究了齒側(cè)間隙的大小對齒輪-轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的振動特性的影響規(guī)律,試驗結(jié)果表明:在非共振轉(zhuǎn)速下,存在較差齒側(cè)間隙范圍使齒輪系統(tǒng)的振幅相對較大,并存在較好齒側(cè)間隙范圍使齒輪系統(tǒng)的振幅相對較小;當齒側(cè)間隙增大到一定值后,系統(tǒng)通常將保持單邊沖擊狀態(tài),系統(tǒng)的振幅將維持在一定的范圍內(nèi),繼續(xù)增大齒側(cè)間隙不會再對系統(tǒng)的振動產(chǎn)生大的影響。在齒輪-轉(zhuǎn)子-滾動軸承系統(tǒng)振動試驗臺的基礎(chǔ)上,將主動齒輪-轉(zhuǎn)子的滾動軸承改造成滑動軸承,并測量了若干轉(zhuǎn)速下滑動軸承座的振動,試驗結(jié)果表明:轉(zhuǎn)速低于一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速之前,系統(tǒng)的振動主要受到非線性嚙合力的影響,試驗的結(jié)果基本驗證了數(shù)值仿真的結(jié)果。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文彈性軸的模型，可以根據(jù)轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，座等單元，各個單元通過公共節(jié)點相連接。段的動力學模型為若干個軸段，每個軸段單元采用兩節(jié)點 Euler 元的模型如圖 2-2 所示，A和 B 表示 Euler 梁單元有 5 個自由度，包括彎曲振動位移、扭轉(zhuǎn)振動位移是 , , , ,y xy x θ θ θ 。xθxθxBθ亞輝：齒輪—轉(zhuǎn)子—滑動軸承系統(tǒng)非線性動力學特性的理論和試驗研究

圖 2-6 典型直齒圓柱齒輪的時變嚙合剛度Fig.2-6 The typical time-varying mesh stiffness of spur gea剛度的波動是隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動過程周期性變化的，所間和轉(zhuǎn)速的函數(shù)。根據(jù)相關(guān)的數(shù)學知識可知，當一個克雷)條件[108]時，可以將此周期函數(shù)展開成 Fourier 級(狄里克雷)充分條件為： ( x )是周期為 2π 的周期函數(shù)，，如果這個周期函數(shù)滿足個周期內(nèi)連續(xù)或只有有限個第一類間斷點。個周期內(nèi)至多只有有限個極值點。 ( x )的 Fourier 級數(shù)收斂，并且當 x 是 f ( x )的連續(xù)點時 x 是 f ( x )的連續(xù)點時，級數(shù)收斂于1[ ( 0) ( 2f x + f x+(狄里克雷)充分條件表明：當函數(shù)在[ π , π]上至多有有限次振動時，函數(shù)的 Fourier 級數(shù)在連續(xù)點處就收斂處收斂于該點的右極限和左極限的平均值。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TH132.41

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 伍良生,陳衛(wèi)福;彎扭耦合齒輪傳動系統(tǒng)固有頻率與振型計算的傳遞矩陣法[J];北京工業(yè)大學學報;1999年01期

2 李瑰賢,馬亮,陶建國,周銘,林少芬;艦船用齒輪傳動嚙合剛度及動態(tài)性能研究[J];船舶工程;2000年05期

3 宋雪萍,于濤,李國平,聞邦椿;齒輪軸系彎扭耦合振動特性[J];東北大學學報;2005年10期

4 李瑰賢;孫瑜;李笑;劉福利;;圓柱正弦活齒傳動受力分析研究[J];哈爾濱工業(yè)大學學報;2003年11期

5 李笑,李瑰賢,魏云新;相交軸變厚齒輪試驗臺系統(tǒng)扭振動力學分析[J];哈爾濱工業(yè)大學學報;2004年10期

6 程廣利,朱石堅,黃映云,王基,伍先俊;齒輪箱振動測試與分析[J];海軍工程大學學報;2004年06期

7 王基;吳新躍;朱石堅;;某型船用傳動齒輪箱振動模態(tài)的試驗與分析[J];海軍工程大學學報;2007年02期

8 歐衛(wèi)林,王三民,袁茹;齒輪耦合復雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彎扭耦合振動分析的軸單元法[J];航空動力學報;2005年03期

9 蘇武會;李育錫;;斜齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彎扭耦合振動分析的整體傳遞矩陣法[J];機床與液壓;2007年06期

10 李瑰賢;于廣濱;溫建民;管竹;;求解齒輪系統(tǒng)非線性動力學微分方程的多尺度方法[J];吉林大學學報(工學版);2008年01期

相關(guān)碩士學位論文 前2條

1 郜志英;強非線性齒輪系統(tǒng)周期解結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的研究[D];西北工業(yè)大學;2003年

2 劉夢軍;單對齒輪系統(tǒng)間隙非線性動力學研究[D];西北工業(yè)大學;2002年

本文編號：2602356